我國城市水源水庫水質風險成因及對策*

朱廣偉,許 海,朱夢圓,肖 曼,國超旋,鄒 偉,張運林,秦伯強

(中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環境國家重點實驗室/湖泊與流域水安全全國重點實驗室,南京 210008)

水庫是人類長期生產實踐中,為對抗自然變化而建造的水資源調控工程,對于保障人類生產、生活具有極其重要的作用。我國是水庫大國,截止2019年擁有大小水庫98112座,其中面積大于1 km2的水庫5156個,是面積大于1 km2天然湖泊數量(2670個)的近2倍[1]。當前我國仍在使用的最古老水庫是安徽壽縣安豐塘,該庫始建于春秋中期(公元前613-公元前591),引淠河、澗河之水筑壩而成,現有面積34 km2,庫容0.9046×108m3,兼具灌溉、蓄澇、生態、航運等多種功能,灌溉面積達450 km2[2]。近年來,我國城市化發展快,人口及產業集聚地快速提高,對水資源供給的穩定性、安全性要求越來越高。因此,越來越多的城市將水資源調蓄能力強的水庫作為水源地。如上海市在長江口建設了青草沙水庫水源地,2010年10月通水[3];源于丹江口水庫,惠及河南、河北、北京、天津4個省市24座城市1.1億人的南水北調中線工程,2014年12月正式通水[4];杭州市、嘉興市的千島湖引水工程2019年9月投入運行[5]。截止2020年,我國340個縣級以上城市及55個百萬人口以上大城市的1093個集中式飲用水源地中,屬于水庫或湖泊類型的有444個,屬于河流型的有336個,屬于地下水型的有313個[6]。從供給人口占比看,湖庫型水源地供給最多,以北京、上海、天津、重慶、深圳、杭州、福州、青島、蘇州、香港10個典型城市為例,其湖庫供給人口占比為72.9%[6]。擁有大型水庫水源地在一定程度上成為該城市能否實現高質量發展的要素之一。

與河流或天然湖泊相比,水庫一般深度大、顆粒沉降充分、水溫分層穩定、底泥擾動小[7-8],水質相對更加優良。然而,作為流域水資源的調蓄單元,水庫又往往具有流域匯水區面積大、水力停留時間短、水位波動大、生態系統脆弱、水質年際變化大等特點[9],水質容易發生“突變”[10]。如貴陽市水源地百花湖水庫1994年9月下旬發生低氧、黑臭、死魚的“黑潮”事件[11];長春市水源地新立城水庫2007年7月在暴雨及罕見高溫疊加等因素影響下出現了大面積藍藻水華[12],導致供水中斷;秦皇島市水源地洋河水庫2007年7月突發卷曲長孢藻(Dolichospermumspiroides)水華,引發水體土臭素(Geosmin)濃度高達7100 ng/L[13];韓國首爾水源地Paldang水庫2012年8月因放線菌滋生導致水體Geosmin濃度高達3157 ng/L[14]。因此,水源水庫又往往成為突發水危機事件的敏感水體。

本文基于調查研究,結合文獻調研,對我國水源水庫面臨的水質風險現狀、成因及預防對策進行分析,以期為我國城市水源水庫的水質安全保障提供參考。

1 我國水源水庫常見水質風險類型

1.1 水質異味

水質異味是水源水庫水質管理中經常遇到的問題。水庫中產生異味的物質是一些揮發性有機物,最常見的異味物質有3類:(1)萜類化合物(terpenoids),如2-甲基異莰醇(2-MIB)、Geosmin等,一般由絲狀藍藻或放線菌等生物代謝產生;(2)類胡蘿卜素衍生物(carotenoid derivatives),如β-環檸檬醛(β-cyclocitral)、β-環紫羅蘭酮(β-ionone)等,一般由原核生物、真核生物生長或死亡代謝產生;(3)揮發性有機硫化物(volatile organic sulfur compounds),如二甲基硫(DMS:dimethyl sulfide)、二甲基二硫(DMDS)、二甲基三硫(DMTS)等,一般由有機質腐敗過程中細菌分解代謝產生,也可由藍藻生長產生[15]。

盡管從醫學角度看,多數異味有機物都沒有明確的毒性,但是卻能導致明顯的感官不悅。特別是人的嗅味閾值一般比口腔觸覺閾值靈敏幾個數量級,一般濃度達到納克級的異味物質就能被嗅覺捕捉到。尤其是在煮開水、洗澡等對自來水加熱時,由于異味物質的揮發性,異味的感覺更為明顯,更容易引起受水用戶的投訴。

2-MIB及Geosmin是我國水源水庫中最常發生的異味物質。生活飲用水衛生標準(GB 5749-2022)中對2-MIB及Geosmin的限定值均為10 ng/L。而上海青草沙水庫在正式供水的第2年(2011年)起,每年夏季都出現2-MIB濃度升高或原水超標問題[3]。2007年7月9日至8月底,洋河水庫在魚腥藻與微囊藻混合種群暴發水華時持續50余天發生高濃度Geosmin問題[13]。2017年5月8日,深圳水源地石巖水庫中檢測出12種異味物質,其中2-MIB濃度最高[16]。2009-2012年的每年秋季,密云水庫中均發生浮絲藻在次表層大量滋生問題,導致局部水體2-MIB濃度超過100 ng/L[17]。2020年7-8月調查中發現,溧陽市水源地天目湖沙河水庫中2-MIB濃度超標,紹興市水源地湯浦水庫中Geosmin濃度超標[18]。除了2-MIB及Geosmin以外,其他多種揮發性有機物產異味也有報道。如2011年12月-2012年2月期間,呼和浩特水源地金海水庫因硅藻(直鏈硅藻屬)、金藻(鐘罩藻屬)大量滋生發生了醛類化合物異味問題,異味物質包括庚醛、2,4-庚二烯醛、2,4-癸二烯醛、2-辛烯醛和己醛等[19]。底泥釋放的條件模擬實驗表明,水力擾動、pH變化及溫度變化均能引起底泥釋放DMTS、雙(2-氯異丙基)醚(BCIE)等異味物質釋放強度的明顯變化[20]。盡管水源地水體異味物質濃度超標并不意味著水廠的出水超標(GB 5749-2022是要求出水達標),但對水廠出水構成巨大超標風險,增加了原水的處理成本,需要高度重視。

1.2 藻類水華及藻毒素問題

藻類水華是由于水體浮游藻類大量滋生集聚在表層水體,明顯影響水色,甚至遮蔽水面的一種生態學現象。目前成為困擾我國南方地區水源水庫的一種常見水質問題。生態環境部頒布的“水華遙感與地面監測評價技術規范(試行)”(HJ 1098-2020)中建議,當水體藻類細胞密度大于1×107cells/L時,則可能達到輕度水華;而當細胞密度大于1×108cells/L時,則可能達到重度水華。當然,細胞數指標僅僅是構成藻類水華是否發生的必要條件,還要結合現場感官狀況判別是否發生。近年來,生態環境部遙感中心加強了對重點湖庫藻類水華的監測力度,提高了各地對水源水庫藻類水華問題的關注度。

形成水華的藻類以藍藻門的一些常見種屬為主,如微囊藻(Microcystisspp.)、長孢藻(Dolichospermumspp.)、束絲藻(Aphanizomenonspp.)、浮絲藻(Planktothrixspp.)、假魚腥藻(Pseudanabaenaspp.)、拉氏擬柱孢藻(Raphidiopsisraciborskii)等。偶爾也會發生硅藻門、甲藻門、綠藻門、裸藻門一些種屬的藻類水華,如湯浦水庫2010年5月發生了鏈狀彎殼藻(Achnanthidiumcatenatum)為優勢的硅藻水華[21]。山東濰坊戰略水源地峽山水庫2019年6月出現了以擬二叉角甲藻(Ceratiumfurcoides)為優勢的甲藻水華,角甲藻生物量高達86.31 mg/L[22]。三峽水庫建成后,大寧河回水段2007年4、5月及2008年5月均發生了以波吉卵囊藻(Oocystisborgei)、小空星藻(Coelastrummicroporum)、實球藻(Pandorinamorum)等為主的綠藻水華[23]。2016年三峽庫區前置庫高陽湖、漢豐湖、長壽湖等均出現了空球藻(Eudorinaelegans)為主的綠藻水華[24]。裸藻門藻類水華一般出現在淺水、有機質濃度較高的水體中,在水庫中開敞水域較少。但在庫尾濕地、水庫支汊回水區等能夠發生,如北京市海淀區上莊水庫的庫尾濕地2013年7月出現了血紅裸藻(Euglenasanguinea)為主的裸藻水華[25]。天目湖沙河水庫庫尾平橋河濕地在2021年10月也發生了裸藻水華?？傮w而言,從發生頻次、強度及危害看,藍藻門形成的水華都是最嚴重的,是水源水庫水華防控的重點和難點。

藻毒素釋放是藍藻水華有別于其他門藻類水華而備受關注的主要原因。藍藻門形成水華的常見藻類大都能產生藻毒素,對水源水庫水質安全產生更大挑戰。其中最常見的是微囊藻毒素(Microcystin,包括多種異構體,簡稱MCs)。MCs是一類多肽類毒素,GB 5749-2022將飲用水中MC-LR(MCs多個異構體中毒性最強的一種)濃度上限設為1 μg/L。據位慧敏等文獻分析,我國有文獻報道進行MCs調查的水庫有37個,其中22個水庫中檢出MCs,報道文獻中MCs總量(包括細胞內MCs和細胞外MCs)超過1 μg/L的水庫有北京的官廳水庫、秦皇島的洋河水庫及福州的山仔水庫,而胞外MCs濃度偶爾超過1 μg/L有山仔水庫、官廳水庫及貴陽市的阿哈水庫[26]。蔡金傍等2005年對華北地區某水源水庫做了MCs的周年變化調查,發現藻類死亡期的9-10月水庫胞外MCs濃度達到峰值,為1.73 μg/L[27]。這一發現具有普遍性,即發生藍藻水華的水源水庫中,藻細胞大量死亡期由于胞內MCs的大量釋放,反而是MCs危害較大的關鍵期。此外,近年來隨著極端天氣、突發藻類水華等事件頻發,水源水庫中發生藻毒素超標的問題可能變得更加常見。

1.3 鐵錳超標

鐵、錳均是地球化學性質比較活躍的金屬元素,對環境條件中的氧化還原電位、酸堿度、溫度等較為敏感。還原條件下,水庫底泥中的鐵、錳能夠還原成溶解態的Fe2+、Mn2+離子,釋放到上覆水中,威脅水廠取水的水質安全。而在氧化條件下,水體Fe2+、Mn2+則會發生氧化反應,轉化成固體沉淀物而離開水相。鐵錳還原溶解、氧化沉淀的多變性質對水源地水質、輸水管網、用水設施、人體健康等產生影響,比如堵塞輸水管道、形成鍋爐結垢等,甚至使自來水出現黃水、紅水的現象[28]。GB 5749-2022中規定,自來水中鐵、錳離子的達標閾值分別為0.3和0.1 mg/L,而世界衛生組織的《飲用水水質標準》(第二版)中將錳的閾值設定為 0.5 mg/L。

我國水源水庫發生季節性鐵、錳超標的問題較為普遍。由于深水水庫在熱分層期間普遍存在底層缺氧情況[29],此時如果分層期間下層水體缺氧嚴重,或者底泥中活性鐵錳含量較高,就會發生下層水體高濃度鐵、錳離子現象。因此,水溫分層穩定、下層厭氧層厚度抵達取水口水層時,鐵錳超標問題就會威脅水廠取水的水質。洪繼華等1982年發現了天津水源水庫于橋水庫在水溫超過25℃時錳含量顯著增加[30];臺州水源地長潭水庫2008-2013年夏季均出現水體鐵、錳濃度超標,最高值一般出現在8月,鐵和錳的最高值分別為2.42 和1.20 mg/L[31]。貴州六盤水市水源地雙橋水庫因大量枯枝落葉沉積到壩前,2017年夏季原水中錳濃度達到0.236 mg/L,通過底層排水1周后,才降至0.130 mg/L[32]。萍鄉市水源地山口巖水庫2018、2019年夏季下層水體中鐵、錳濃度達0.45、0.29 mg/L,對供水安全產生威脅[33]。廈門市新建水源地蓮花水庫受底泥高錳的影響,2018年下層水體中錳濃度為3.22 mg/L,達到中等污染程度[34]。由于流域大量種植桉樹,南寧市水源地天雹水庫水體有機質濃度高,加劇底層缺氧,引發了水體鐵、錳濃度超標,并成為取水口發生“黑水”的原因之一[35]。

1.4 有機質偏高

水源水庫的流域工業污染控制一般較嚴格,有機有毒污染物的事件極少出現。但是許多水源水庫的流域植被茂盛,會出現天然有機質含量偏高問題。水源水庫中與有機質相關的水質指標包括高錳酸鹽指數(CODMn)、總有機碳(TOC)、溶解性有機碳(DOC)及有色溶解性有機物(CDOM)等。由于TOC儀進樣管孔徑的限制,TOC并不能包括所有顆粒有機碳,而天然水體中顆粒有機物的成分復雜,變化較大,穩定性差,因此實際調查中常用DOC而非TOC。在檢測DOC時,除了使用TOC測定儀直接測定外,還常用水體有機官能團在254 nm波長時的吸收峰強度UV254表征。GB 5749-2022中規定生活飲用水中的CODMn的濃度上限為3 mg/L。盡管對DOC濃度沒有確切的規定,但是近年來隨著對飲水中消毒副產物(disinfection by-products, DBPs)問題的關注[36],水源地水體中高濃度有機質需要去除,導致制水成本增高。因此,DOC濃度也逐漸成為考量原水水質優劣的參考指標之一。

就全國而言,水源水庫中天然有機質濃度過高問題并不普遍。但是在流域植被好、環境溫度低、水體有機質自然降解速率低的北方地區,特別是東北地區,該問題較為普遍。如哈爾濱水源地磨盤山水庫冬季冰封期水體大量積蓄分子量介于5000～10000 D(1 D=0.9921 u)之間的大分子有機質,DOC濃度約為5～6 mg/L,UV254約為0.19 cm-1,導致制水工藝中加氯消毒時形成較高的三氯甲烷生成勢(trichloromethane formation potential, THMFP)及水合氯醛生成勢(chloral hydrate formation potential, CHFP)[37],威脅水廠出水水質。南開大學李堯等研究天津水源地于橋水庫水體有機質對消毒副產物生成的影響時發現,盡管從水庫上游到下游水體DOC及氨濃度呈下降趨勢(DOC濃度介于3.03～11.88 mg/L之間),但是水體中比紫外吸收率(SUVA)強度(UV254吸收峰強度與DOC濃度比值)卻呈增加趨勢,導致制水中鹵代乙酸、三鹵甲烷類消毒副產物生成風險偏高[38]。宋武昌等調查了濟南市水源地引黃水庫鵲山水庫中有機質組分與消毒副產物生成勢的關系,發現水庫中DOC介于2.26～3.25 mg/L之間,年均值為2.32 mg/L,高值期出現在8-11月,但該水庫水仍具有較高的三氯甲烷類DBPs生成勢,與該水庫DOC中小分子有機質占比高有關[39]。

相比較而言,南方水庫中難降解天然有機質濃度可能較低,但會發生因藻類瘋漲、生物量高而引起的有機質偏高問題。宋倩云等比較了金華市水源地金蘭水庫與太湖、錢塘江水源地水體有機質的DBPs生成效應,發現DOC濃度與DBPs生成勢的關系密切,金蘭水庫DOC濃度僅為1.30 mg/L,而錢塘江九溪水廠取水口、太湖貢湖水廠取水口DOC分別為5.96和10.34 mg/L,后兩個水源地水體中DBPs風險顯著高于金蘭水庫[40],其中太湖的DOC高與太湖水體藻類生物量高密切聯系。Hong等調查了東江源頭新豐江水庫、東江下游供水樞紐深圳水庫及香港4座供水水庫中天然有機質濃度、藻類狀況及其對水廠DBPs的影響,發現6個水庫中DOC濃度變化在很大程度受水體藻類生物量的季節變化影響;天然有機質中芳香烴占比對DBPs產生量影響最大[41]。因此,即使在一些外源有機質不高的南方水源水庫,也可能發生水體有機質高引發的水質問題。

1.5 營養鹽超標

在水源水庫的水環境保護中,管理上最常遇到的問題是營養鹽超標。根據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)的規定,水源地的二級保護區(湖庫水源地的二級保護區水域一般以取水口為圓心、半徑1500 m范圍內的水域)內至少應達到Ⅲ類水的水質標準,相應的典型水質指標總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和CODMn濃度上限值分別為0.050、1.0、1.0和6 mg/L;而取水口為一級保護區(湖庫水源地的一級保護區水域一般為以取水口為圓心、半徑500 m范圍內的水域)的水質要求為Ⅱ類,相應的TP、TN、NH3-N和CODMn濃度上限分別為0.025、0.5、0.5和4 mg/L。目前在湖庫水源地管理中經常遇到的水質問題是TP、TN的超標問題。表1列舉了中國科學院野外站聯盟項目(KFJ-SW-YW036)收集與調查中獲得的22個水源水庫營養鹽濃度等水質指標狀況。

表1 我國典型水源水庫水體營養鹽狀況*Tab.1 Nutrients concentrations in typical reservoirs used as drinking water sources in China

從表1可以看出,我國多數水源水庫的TP處于Ⅲ類水水平,一些優良水庫年均值能達到Ⅱ類水,極個別能夠達到I類水,淺水水庫或河流特征明顯的水庫甚至處于Ⅳ類水濃度范圍(TP>0.05 mg/L),如鹽龍湖、青草沙水庫、富春江水庫等,表明部分水源水庫的營養鹽濃度達標面臨挑戰。對TN而言,大多數水庫的年均濃度超過1.0 mg/L,處于Ⅳ類水水平,部分水庫能到Ⅲ類水水平(0.5～1.0 mg/L之間),幾乎沒有能達到Ⅱ類水的,這導致目前在水質考核上沒有將TN的達標狀況納入考核要求。所有調查的水源水庫中,氨氮濃度都優于Ⅱ類水,且絕大多數達到Ⅰ類水。而對于CODMn而言,絕大多數水庫能達到Ⅱ類水要求。

按照《地表水資源質量評價技術規程》(SL395-2007)中的TP指標單因子劃分,22個水體中只有東江水庫處于貧營養狀態(TP<0.010 mg/L),17個水庫處于中營養狀態(TP<0.050 mg/L),鹽龍湖、青草沙水庫、富春江水庫及豐滿水庫4個換水周期快的河流型水庫則處于富營養狀態。而依據SL395-2007中Chl.a指標的單因子劃分,絕大多數水源水庫處于中營養狀態(Chl.a<0.026 mg/L),大沙河水庫、龍王山水庫的年均值處于富營養狀態(Chl.a≥0.026 mg/L)。需要注意的是,對于Chl.a指標而言,年平均值會大大低估水庫的富營養化風險。因為水庫中Chl.a濃度存在極大的季節差異,盡管年均值Chl.a濃度不高,但許多水源水庫都存在春季、夏季階段性Chl.a濃度陡然升高、甚至出現藻類水華的富營養化風險。

2 我國水源水庫水質風險成因分析

盡管我國水源水庫的水質風險有多種表現形式,但是往往存在相互聯系,如藻類水華與營養鹽問題、水質異味等密切聯系,存在“一因多果”“多因一果”?？偟膩碚f,水庫水質風險的成因大都與外源營養鹽入庫負荷過高、內源污染物的累積過度、生態系統結構與功能失衡及氣候水文等自然條件突變有關。異味問題、藻類問題、鐵錳問題、有機質問題及營養鹽問題等大都與營養鹽及污染物的內外源負荷過大有關,本質上與人類活動強度過大有關。而氣候、水文因子也常常成為水質問題突發的促發因素。歸納起來,目前我國水源水庫水質問題的成因主要可分如下4方面。

2.1 流域開發強度過大

盡管流域地球化學元素背景能對湖庫水質產生一定的影響[43],但影響水庫水質的外界壓力大都來自流域及水庫中的人類活動,特別是水庫流域的土地利用方式及其強度。水庫流域的土地利用方式中,一般將建筑用地、農牧業用地、茶果園用地等人類活動強度大、面源污染負荷高的類型稱為“開發”用地,開發用地的占比稱為流域“開發強度”。盡管目前還沒有全國尺度開發強度與水庫水質之間的精準關系,但大量研究發現,對具體水庫而言,開發強度越高,水庫水質就越差。史鵬程等調查了江蘇省17個水源水庫的異味物質狀況,發現蘇南水庫流域植被好于蘇北,與蘇南地區水源水庫水質更好的現象一致[44]。Rose等調查了美國華盛頓州、俄勒岡州52個湖泊和水庫的水華強度相關因子,發現湖庫藍藻水華強度與流域裸地、建設用地的占比呈顯著正相關,而與常綠林地的面積占比呈顯著負相關[45],說明流域開發強度越大,湖庫中的藍藻水華風險越高。

流域開發強度一旦過大,多數水庫的良好水質難以穩定維持。美國中部密蘇里州32個不同營養水平的水庫調查發現,貧營養水庫(n=5)的流域林地占比介于42%～97%之間(均值61%),牧場占比均值為20%,農田占比為0,其余為裸地;中營養水庫(n=13)的流域林地占比均值為63%,牧場占比均值為27%,農田占比為2%,其余為裸地;富營養水庫(n=12)的流域林地占比均值為33%,牧場占比均值為40%,農田占比為17%,其余為裸地;而重富營養水庫(n=2)的流域林地占比均值僅為6%,牧場占比均值為28%,農田占比高達53%[46]。如果將牧場及農田定義為開發用地,貧營養、中營養、富營養及重富營養水庫流域的開發用地占比分別為20%、29%、57%及81%。因此,就美國中部水庫水質保護經驗可以推斷,若要維持水庫貧營養,流域開發強度不宜超過20%,若要維持中營養,則不宜超過30%。當然,具體的占比比值還與土地開發的結構(空間距離)及開發管理模式(水肥管理、種養殖類型等)有很大關系,此值僅供參考。

我國水庫開發強度與水質關系的分析也體現出二者的密切關聯。吳一凡分析了紹興水源地湯浦水庫流域不同土地類型的氮磷產出負荷,發現單位面積耕地、園地、林地和建設用地的年均總氮入河量分別為17.76、21.58、3.16和2.20 kg/hm2,年均磷入河量分別為5.06、1.42、0.67和0.75 kg/hm2[47];該水庫流域2019年的耕地、園地、林地、建設用地和水域面積占比分別為11.03%、16.15%、65.48%、3.24%和4.10%,開發強度為30.42%,該水庫的確也面臨著富營養化的風險[47]。2017年溧陽市水源地沙河水庫流域土地利用格局為林地54%、農田16%、茶園10%、濕地9%、建設用地7%、水庫4%,開發強度為33%,該水庫同樣存在季節性富營養化風險;其中外源磷負荷中,農田及茶園貢獻了61%,建設用地貢獻了18%[48]。

2.2 底泥淤積與內源釋放

水庫是人為改變河流流態及物質時空滯留過程的產物,具有顯著高于天然湖泊的底泥淤積速度。據鄧安軍等統計,截止到2018年,我國水庫的平均淤損率達11.27%,其中黃河流域為36.76%,長江流域為4.25%,年均淤損率為0.41%～0.49%[49]。Rahmani等調查了美國中部大平原地區堪薩斯州24個州管水庫的淤損情況,發現這些平均年齡為52年的水庫淤損率均值為17%,最大淤損率達到45%,年均淤損率最大為0.84%[50]。鄭丙輝等用210Pb及137Cs計年法測定發現沈陽市水源地大伙房水庫中心庫區的沉積速率為0.75 cm/a[51]。史鵬程等采用沉積物捕獲器收集顆粒沉降物的方法估算了流域植被良好的千島湖淤損情況,年淤損率約為0.07%[8]。隨著流域物質在庫底的快速淤積,大量有機質、營養鹽被埋藏到水庫深水區,熱分層期間底層易形成缺氧環境,營養鹽、鐵、錳等物質則會溶解釋放,重新進入水相形成內源,高有機質及厭氧的表層底泥環境還能引起放線菌等的大量滋生,代謝產生2-MIB、Geosmin、DMTS等異味物質,成為水源水庫的水質問題的風險源。因此,許多水庫隨著庫齡延長,底泥淤積增多,水質風險變大。

貴陽市水源地百花湖1990s發生的“黑水”事件[11],溧陽市水源地天目湖2005年4月發生的水質異味,溫嶺水源地太湖水庫2015年5月發生的水質異味現象等,都與壩前底泥中有機質大量蓄積及溫躍層形成后的腐爛分解過程有關。我國水庫中普遍存在的夏季水體錳超標問題也大都與底泥中有機質過度積累有關。大連市水源地碧流河水庫底泥內源釋放是冬季取水口中上層水體錳超標的原因之一[52]。孫傳喆等通過泥柱培養估算了天津市水源地潘家口水庫底泥營養鹽釋放通量,發現夏季和冬季平均每天溶解性活性磷(SRP)釋放通量分別為5.28和2.30 mg/m2,而溶解性無機氮(DIN)的夏季、冬季日均釋放通量則分別為-0.66 及44.04 mg/m2[53],該水庫面積為72 km2,這意味著內源釋放磷的平均負荷可達102 t,對水庫的水質達標及夏季藻類水華風險產生不容忽視的影響。

2.3 生態系統結構失衡

水庫中藻類水華問題、水質異味問題的本質都是水生態結構失衡問題。在相對健康的湖泊生態系統中,藻類、水草等初級生產者與浮游動物等初級消費者、不同食性魚類等消費者,乃至底棲動物、細菌等消費者和分解者之間物質傳遞及能量流動處于相對穩定的動態平衡,有害藻類不易過度增殖而形成危害。湖庫生態系統成熟度的表征包括多個指數[54-55],如總初級生產量(total primary production,TPP)與總呼吸量(total respiration,TR)的比值TPP∶TR,該值越接近1,表明生態系統越成熟,大于1則表明該系統還在發育中;又如聯結指數(connectance index,CI)和雜食指數(system omnivory index,SOI),這兩個指數也是越接近1表明生態系統越成熟,生態系統的自我平衡能力就越強,低于1則表明生態形態的自我循環效率不高,成熟度低;此外還包括Finn’s循環指數(finn cycling index,FCI)和Finn’s平均路徑長度(Finn’s mean path lenth,FMPL)以及生態營養轉化效率(efficient of ecological nutrient transfer,EE)等。水庫構建之后對原河流水生態系統中物質收支及能量流動均產生巨大的影響,將河流異養生態系統轉變成湖泊自養生態系統[56]。水庫本身具有的水量變化大、消落帶水位落差大、總體初級生產力偏低,使得水庫中生態系統結構相對簡單,食物鏈單一,季節變化大,生態系統脆弱,藻類水華、水質異味等問題在物質傳遞與能量流動受阻過程中容易偶發。

澳大利亞水源水庫中藍藻水華問題多發,可能與水庫中浮游動物食性的小型魚類密度過大有關。Hunt等通過圍隔實驗模擬研究了食浮游動物的澳大利亞蓋氏黃黝魚(Australian gudgeonHypseleotrisspp.)種群密度與藍藻密度之間的關系,發現黃黝魚種群大小能顯著改變橈足類浮游動物群落結構,進而影響橈足類浮游動物對藍藻生長的壓制作用,黃黝魚密度與藍藻水華強度呈顯著正相關[57]。Lazzaro等調查分析了13個巴西水庫的食物鏈結構,發現魚類結構與藍藻水華風險關系密切:藍藻密度與雜食性魚類(omnivorous fish,OM)密度呈正相關,與肉食性魚類(facultative piscivores, FP)密度呈負相關,而與草食性魚類(herbivorous fish)密度關系不大,葉綠素濃度及絲狀藍藻密度與FP∶OM比值呈顯著負相關[58]。這表明水庫生態系統結構平衡與否對一些水源水庫的水質影響甚大。

我國既是水庫大國,也是水庫漁業大國,從水庫興建之初就大力發展水庫漁業[59]。漁業養殖對水庫食物鏈及水質有著深刻的影響。過多的鰱、鳙投放量對中營養狀態或貧營養狀態的水庫水質保障有負面的影響。劉其根等采用Ecopath模型分析了本世紀初鰱、鳙參與下千島湖的食物網特征,認為該生態系統呈現出了高生產力非穩定生態系統的一些特征,但在精準管理鰱、鳙生物量的情況下,也表現出了穩定生態系統的特征[60],藻類生產與魚類消費逐漸達到基本平衡。于佳等基于2016年千島湖的食物鏈調查數據,再次進行Ecopath模型分析發現,千島湖生態系統中藻類的EE值為0.37,高于碎屑的生態轉化效率(EE值為0.13),牧食食物鏈的占比明顯大于碎屑食物鏈;千島湖的TPP/TR為6.51,遠高于1,CI值為0.26,SOI為0.13,FCI為5.27%,生態系統處于不成熟狀態,說明近年來千島湖生態系統總體規模增大,穩定性和復雜性增強,但營養交互關系變弱,系統抵抗外界干擾能力低,初級生產的轉化效率低,食物網簡單[61],存在藍藻水華等生態災變風險。

2.4 氣候與水文變化

近年來以增溫、極端天氣增加為主要特征的氣候變化幅度增加,成為我國水源水庫水質風險的重要驅動力。水庫中以藻類為主的初級生產力不僅受營養鹽濃度影響,還在很大程度上受到溫度、光照、來水過程等氣候與水文因子的影響。增溫是湖泊藍藻水華的催化劑[62],也能加快湖庫中有機碳的分解[63],提高微生物反硝化脫氮速率[64],加劇底層缺氧而增加底泥磷釋放[54]。李淵等基于遙感反演的湖體水質變化研究發現,近30年千島湖流域氣溫增高明顯,水體藻類生物量同步增高,氣候學上的增溫是30年來千島湖透明度下降的重要貢獻因子[65]。李慧赟等模擬了未來氣候場景下千島湖的熱分層變化,發現未來增溫加劇將導致千島湖溫躍層拐點深度變淺[66],藻類生長層將更加集中在表層,通過濃縮效應增大藻類水華風險。

暴雨過程能夠在短期內對水庫的溫度場、水下光場、營養鹽及藻類種源等水環境產生脈沖式改變,為藻類水華或者水質“突變”提供契機[67]。受東亞季風影響、熱分層明顯的大型水庫中,夏季暴雨往往能帶入大量磷,高磷水團首先進入水庫的底層滯水層與上層混合層之間,而在暴雨之后這些磷逐漸擴散到上層水庫混合層中,刺激藻類生長,引起藍藻水華,被稱為“季風水華”(monsoon blooms)[68]。在西安市水源地金盆水庫,季風往往帶來秋汛,在9月發生降雨量大于50 mm/d的暴雨,攜帶流域大量有機物進入水庫,水庫底層缺氧加劇,溫躍層遭破壞,下層水體中高濃度磷通過混合作用大量進入上層水體,表層水體的TP甚至可達0.224 mg/L[69-70],造成短期水質災變。

高溫熱浪兼具了高溫和強光的雙重影響,并常常伴隨持續靜風,能夠顯著改變藍藻異常增殖的環境條件[71],促進藍藻水華快速發生。近年來高溫熱浪的發生頻次、持續時間及強度都呈增加趨勢[72],成為湖庫藻類水華頻發的重要因素。黃群芳等發現2016年8月千島湖庫尾入湖口藍藻水華與高溫熱浪事件聯系緊密[73]。國超旋等發現2016年8月“澇旱急轉”后的持續高溫晴熱是富春江水庫藍藻水華“突發”的重要促發因素[74]。

極端干旱能導致水庫容量急劇下降甚至接近干涸,生態系統崩潰或發生突變,污染物緩沖能力降低,往往對水庫生態系統產生劇烈影響,導致水質災害。在2015年極端干旱背景下,Rego等調查了巴西西北部半干旱區5個水源水庫藻類對極端干旱的響應,發現當水量降至庫容10%時,多種水華藍藻細胞密度均大幅增高,包括阿氏浮絲藻(Planktothrixagardhii)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)、浮游魚腥藻(Anabaenaplanktonica)及拉氏擬柱孢藻(Cylindrospermopsisraciborskii)[75],水庫水華的風險大增。Hwang等分析了2012-2015年的干旱事件對首爾水源地Paldang水庫的影響,發現干旱導致水庫缺氧加重,磷濃度上升,水華風險增加[76]。2022年我國長江流域的極端干旱也引起了鄱陽湖流域、錢塘江流域的多個河流型水庫暴發藍藻水華,給一些具有水源地功能的水庫水質帶來了顯著的影響。

3 水源水庫水質風險應對策略

水源水庫的水質安全事關城市基本生存安全,必須高度重視。技術策略上,應對水源水庫的水質風險,要從水庫流域的整體系統考慮,制定基于水庫水質目標的流域管理方案,協調人與自然矛盾,探尋綠色發展與高質量保護協調的途徑。具體技術上,建議構建從流域到庫體、從監測到修復的技術體系,包括水源水庫監測預警技術、流域污染削減與攔截技術、水庫內源控制技術、生態調控技術等。具體的技術方案如圖1。

圖1 水源水庫水質風險應對的技術策略Fig.1 Technical strategy of water quality risk prevention in reservoirs using as drinking water sources

3.1 構建監測預警系統

構建在線自動監測系統是快速掌握水庫水質變化趨勢、實施精準風險防控的前提。本世紀初國家生態環境部門構建了以流域跨界監督為主要目標的岸基棧房式自動監測系統,如千島湖上游新安江的街口自動監測系統。但該系統是通過延伸至水體浮臺的取水泵抽水進入岸基自動監測設備,對水質實施定期監測的。早期的自動監測系統存在取樣代表性差、易污染等問題。2004年,在美國自然基金會資助下,以美國威斯康辛大學Trout湖生態站及臺灣中央研究院鴛鴦湖生態浮標為基礎,發起了全球湖泊生態觀測網絡(Global Lake Ecological Observatory Network, GLEON)[77],在全球湖庫生態研究領域推廣投放在湖庫中心、依賴太陽能供電、水層剖面監測自動化運行、數據與監測設施能夠遠程控制的浮標式水質在線自動監測系統,使得生態浮標技術在全球快速發展。近年來,隨著水質傳感器技術、信息無線傳輸技術、大數據綜合診斷分析技術等軟、硬件技術的不斷進步,水源水庫的水質在線監測技術也發展迅速。我國自主研發的湖體生態監測浮標技術日漸成熟,湖庫水源地的自動在線監測浮標已出現國產化趨勢[78]。

基于高光譜遙感水質監測原理的高光譜近感水質實時在線監測技術開始出現,有望克服我國在水質傳感器設備發展滯后的問題。盡管我國在湖庫水質監測浮標的支撐件、數采系統、剖面機械動力、遠程傳輸等方面的技術日漸成熟,但在水質浮標的核心配件傳感器探頭方面的進展仍相對滯后。目前市場上穩定可靠的水質探頭還是大量依賴進口。近年來,基于高光譜遙感水質監測技術的設備與原理,我國多個科研團隊開發出了高光譜近感水質監測儀,通過布設在近水面的高光譜信號采集設備,輔以水位、光合有效輻射等相關信息的自動監測,構成水面多信息同步采集系統,結合后臺的各種水質反演算法開發與不斷優化,能夠實現水質斷面Chl.a、TN、TP、CODMn、CDOM、透明度、水溫等多指標的連續采集,還大大降低設備的維護成本[79]。

開發基于水質自動監測系統的水質風險預測預警系統能為水源水庫水質風險防范提供有力的技術保障。Zhang等基于密云水庫入庫河流古北口水質斷面的高頻監測數據,開發了BP神經網絡算法,構建了密云水庫水體溶解氧(DO)、CODMn、NH3-N等指標時空變化的預測模型[80]。Wang等開發了基于混沌理論的非線性經驗動力學模型EDM,能夠依據水溫、pH、透明度、光照強度、藍藻生物量等水庫監測數據對日本水源地Kamafusa水庫中的2-MIB濃度實施短期預測[81]。李慧赟等應用三維水動力生態模型AEM3D等,開發了基于高頻自動監測浮標支持下的千島湖關鍵水質指標及水華風險的預測預警系統,實施千島湖水體未來7天Chl.a、TP、TN、DO等指標的逐日空間場的自動預測[82],并通過“秀水衛士”水環境管理平臺實施在線運行,為千島湖水質安全保障提供了技術支撐。

3.2 加強流域土地開發管控及污染源削減與攔截

清潔流域是水庫水質安全的根本保障,是水源水庫水質風險防范的首選技術途徑。從技術類型上,水源水庫流域污染的源頭削減與攔截技術又可分為4個方面:(1)土地開發管控技術;(2)點源深度削減技術;(3)面源削減與輸移攔截技術;(4)河口濕地入庫屏障技術。

土地開發管控是水源水庫水質安全保障的治本之策。其核心思想是基于水源水庫的流域自然地理背景和水庫水質保護目標,控制流域開發強度,調整流域人類活動類型和生產生活的污染物排放強度,從根本上實現流域高質量發展與水源水庫高質量保護之間的協同。在該技術的實際應用中應注意如下幾點:(1)控制土地開發總強度。一個水源水庫應守住林地、自然裸地等土地擾動極少用地類型的占比底數,一般應保持在60%以上,可因流域自然地理特征和保護目標適當提高。(2)優化土地利用狀況的空間結構。流域污染物從發生到進入水庫,其輸移入庫占比與污染物發生點與水庫水體的空間距離、輸移線路密切聯系,距離越遠,入庫占比越低;發生點的水土保持越好,入庫占比也越低。應優先控制水庫臨湖面、入庫河流兩岸及河流源頭涵養區的土地開發強度與開發方式。(3)注意對茶園、果園、觀賞植物園等經濟林開發強度的控制。茶園、果園、觀賞植物園(如櫻花園、梅園)等雖然在植被類型上屬于林地或灌木,在景觀上的綠化率較高、土地擾動強度較低,但此類用地大都存在化肥、有機肥投放量大等問題,不能混作人類活動強度低的自然林。溧陽市水源地天目湖的流域調查發現,單位面積茶園氮、磷排放強度都明顯高于稻田等一般糧食作物用地,控制流域茶園開發成為保障天目湖水質的重要舉措[83]。

水源水庫流域一般不存在大的工業點源。如果存在污染較重、規模較大的工業點源,一般建議采用污水管網外排出流域等工程措施予以解決。對于生活污水的點源,應根據水質保護壓力適當實施深度處理削減技術,包括:(1)對于較大城鎮的污水處理廠,通過工藝調整,強化污水處理廠的脫氮除磷能力,實施更嚴格的污水廠排放的出水水質標準;(2)增加污水處理廠尾水的濕地深度處理及中水回用,避免尾水直接入河。點源污染深度削減技術方案往往需要與水環境保護立法工作相結合。

面源削減與輸移攔截是水庫流域營養鹽控制的重要技術策略。在源頭削減方面,既要精準施肥,控制施肥時間,又要注意耕地及茶果園的緩沖帶建設,增加施肥后及土地耕作過程中面源污染的原位攔截率。此外,在入河、入庫區域,構建湖岸線、河岸、田邊、村旁等陸水交錯帶面源攔截帶十分重要。輸移過程的攔截主要依靠各種水利工程措施及濕地進行。水庫流域的河流大都坡度大,來水不穩定,與村鎮等人口稠密區聯系緊密。在河流上構建滯水區、濕地斑塊等是非常有效的凈化措施。根據河流地貌及村鎮污染源分布,在河流的村莊段(具有較高的基礎設施)、陡坡段、緩流區等設置攔水壩,構建儲水池及濕地系統,能有效增加磷的沉降、氮的脫出及有機質的降解。需要注意的是,河流濕地需要定期維護,否則磷的攔截能力會下降。Audet等評估了丹麥使用了3～13年的濕地對氮、磷的凈化能力,發現氮的去除能力能保持穩定(40～305 kg N/(hm2·a)),而磷的去除能力則隨濕地吸附能力飽和而下降(-2.8～10 kg P/(hm2·a)),濕地老化后甚至成為磷的源而非匯[84]。

河口濕地,或者水庫前置庫,是流域營養鹽入庫前最后一道攔截凈化屏障。根據水庫的地貌特征及防洪安全,前置庫可以靈活設置,如直接構建攔河壩形成河流濕地區,也可以拓寬河道,旁路引水構建人工濕地,形成旁路凈化系統。溧陽市水源地天目湖大溪水庫探索了河口濕地凈水效果,淺水區種植了香蒲、水蓼、燈芯草、蘆葦等濕生植物,能將大量的磷蓄積在濕地底泥中,降低了水庫敞水區的磷負荷[85]。Kwun等在韓國忠清南道牙山市某水源水庫河流入口開挖了深約3～4 m、庫容17萬m3的沉積物捕獲槽,對河流來水中氮、磷削減效果明顯[86]。

3.3 控制內源

從陸地生態系統中不同地貌單元的生態功能看,水庫是流域物質的“匯”,存在功能逐漸 “老化”、自凈能力不斷下降的風險。流域自然與人類活動產生的大量有機物、營養鹽、泥沙等,在水庫底部不斷累積,而底泥中的有機質不斷分解,營養鹽、污染物逐漸累積、活化。此外,隨著庫齡增加,水庫庫容萎縮,庫底物質累積,磷、氮、鐵、錳、硫等內源釋放強度增大,水庫內源釋放風險加大。因此,從庫容維持和水質保障方面看,應密切關注水庫底泥的內源釋放風險,必要時開展底泥疏浚。

疏浚是一種成本較高的水庫治理工程手段。只有當水庫的底泥活性磷、有機質含量較高,且內源釋放是水體富營養化較為重要的原因時,才建議疏浚[87]。底泥有機質含量、磷含量、氮磷內源釋放速率、下層水厭氧狀況、鐵錳含量、水體上下層混合強度,以及氮磷外源負荷與內源負荷比值是判別水庫是否需要疏浚的重要依據。溧陽市天目湖沙河水庫于2008年實施了壩前1.5 km2的表層高有機質泥層的清淤(清淤深度30 cm),清淤量45萬m3,在清淤后約10年內,水庫春季水質異味問題都很輕。貴陽市水源地阿哈水庫于2015年10月-2016年5月實施了10萬m3的生態清淤,清淤后底泥中磷、氮、鐵、錳等含量顯著下降,間隙水溶解性磷濃度下降4倍[88],底泥對水體營養鹽的影響明顯減輕。

近年來出現的揚水曝氣(water-lifting aerator)技術在水庫內源釋放遏制方面的應用日漸成熟。在水深大、夏季熱分層穩定、疏浚難度大、內源污染風險高的水庫中,黃廷林等開發出了揚水曝氣技術在西安水源地金盆水庫等應用實踐,通過將下層滯水層缺氧、低溫水提至水庫表層,形成溫躍層上下水層間的對流交換,顯著增加下層水體氧濃度,改善表層底泥的理化特征,遏制底泥中氮、磷、鐵、錳的厭氧釋放,同時也可以降低表層水溫,加快藻類垂向混合,抑制藻類在表層水體的過量生長[89]。

3.4 調控生態系統結構

生態系統調控是通過完善水庫生態系統內部的物質輸移和能量流動效率、降低水庫生態系統中的物質累積比例、提高營養鹽和污染物生態凈化能力的一種水質調控生態技術。水源水庫水質保障中常見的生態調控技術有3類:(1)魚類調控技術;(2)藻類生長抑制技術;(3)生態浮島氮磷凈化技術。

魚類調控技術是通過調整水庫中不同營養級魚類的結構和比例來實現控制藻類等初級生產者在水體中過度增殖的一種生態技術。目前我國水庫漁業十分普遍,但關于魚類調控遏藻的技術策略仍有分歧。國際上較為流行的技術策略是投放高營養級的肉食性魚類、控制浮游生物食性魚類(鰱、鳙、鯉、鯽等),控制小型魚類,提高浮游動物生物量,強化浮游動物對浮游植物的直接控制作用。如德國水源水庫Saidenbach水庫在投放鰱密度10 g/m3條件下,水體透明度明顯下降,30 μm以下浮游植物生物量及30 μm以下顆粒有機碳均明顯增高,橈足類浮游動物生物量顯著下降,枝角類浮游動物生物量下降,不能改善水源地的水質[90];相比較而言,采用大規格鮭魚投放后則有效提高了水庫水質[91]。因此,該研究者認為鰱、鳙等濾食性魚類控制藍藻水華的技術僅適用于天然大型浮游動物缺乏的富營養水體[90]。但肉食性魚類投放控藻也有許多失敗例子,如Jurajda等在捷克赫林斯科市水源地Hamry水庫開展了4年的魚類調控,包括擬鯉、鳊魚、鱸魚等清除工程,但仍無法有效控制水庫中的藻類生物量,該水庫外源營養鹽負荷偏高、上行效應主導了藻類生物量的變化[92]。我國目前多數水源水庫的魚類調控思路與國際上有所不同,由于鰱、鳙等養殖是我國水庫管理中的重要技術手段,合理投放鰱、鳙等濾食性魚類成為水庫生態調控的基本手段。肖利娟等在廣東富營養水庫甘村水庫的圍隔實驗表明,密度為50 g/m3的鰱投放能有效控制該水庫的藻類水華;冬季起捕后則因藻類失去魚類牧食壓力,水華風險反而增高[93]。魚類調控技術的核心是精準診斷水庫食物鏈結構,并在上行效應有效控制的基礎上,科學制定方案,避免盲目過度投放鰱、鳙。

微囊藻由于細胞體內具有調節上浮的偽空泡結構,可以通過加壓破壞其偽空泡和降低其表層光競爭能力的方式進行控制。叢海兵等對微囊藻細胞團實施0.4～0.6 MPa靜水壓力后,發現大部分微囊藻細胞團在水柱中下沉[94],細胞的生物活性及環境危害下降。我國湖庫水華中較大比例是微囊藻水華[95],該技術能成為富營養水源水庫微囊藻水華控制提供一種技術選項。

生態浮島脫氮除磷及生境修復技術本是一種城市河道水體修復技術,但是在水質較好的水源水庫的應用很少。唐偉等通過對浮島浮體結構改造、耐低營養的浮島植物篩選、人工介質組合、浮島植物收割管理等研發,開發出適用于深水、營養鹽較低(水體總氮約為1 mg/L,總磷約為0.02 mg/L)的水庫生態浮島脫氮除磷及生境修復技術[96]。在千島湖庫尾等中營養水域應用后發現,總氮和總磷的去除率分別可達2.89和0.08 mg/(kg·d)[96],并吸引了大量魚類產卵,鳥類覓食,在發揮脫氮除磷功能的同時,為水庫生物多樣性維持提供了重要載體。由于大多數水源水庫存在水位落差大、消落帶生境差、生物多樣性低等問題,生態浮島技術在水源水庫的生態調控方面也具有應用前景。

3.5 創新管理技術

在水庫水質安全保障中,管理是引領,技術是手段。如何通過行政和經濟手段來提高流域居民保護水質的主觀能動性極為重要。目前,我國在水源水庫水質保護管理理論和技術方面正處于不斷探索實踐階段。水源水庫的水質保護中,行政管理上涉及林業、農業、城建、旅游、水利、生態環境等多個部門,因此,首先應該通過立法、規劃、條例等各種管理手段加強多部門之間的協作。

跨區域生態補償是近年來廣泛探索的管理技術,但是成熟、成功的方案不多。李建等分析了長江流域70個國家級水庫水源地的生態補償狀況(依據2016 年水利部印發了《水利部關于印發全國重要飲用水水源地名錄(2016年)的通知》(水資源[2016]383號)),發現補償效果相對較好的是貴陽市水源地紅楓湖、長沙市水源地株樹橋水庫及南水北調中線源頭丹江口水庫,這3個水源水庫都通過生態補償措施將水庫水質維持Ⅱ類[97]。由于補償者與受補償者之間在補償費用、補償機制等方面訴求的不斷變化等,多數水源水庫生態補償方案都要經歷較多的利益博弈過程。

設置專門水源地管理機構、制定專門水源地保護法規是較為有效的管理措施,在水源水庫水質保護中發揮重要的作用。如溧陽市設立了天目湖水源地生態環境保護管理辦公室,由分管副市長牽頭,具有多部門協調的功能,推動了江蘇省人大在全省水源地保護條例出臺,有效保障了天目湖水源水庫水質的長期穩定。杭州市為保護千島湖水質,從2012年起實施了3輪新安江共保生態補償試點,2019年成立了淳安特別生態功能區,2020年出臺了《杭州市淳安特別生態功能區管理辦法》,在制度創新上探索了大型水源水庫的水質安全保障模式,取得了較好的水質保護效果。

4 結論與展望

水源水庫在我國大城市供水中發揮著越來越重要的作用。但是目前水源水庫普遍面臨富營養化、水質異味等方面的挑戰。提高水源水庫的水質安全,首先應在水庫生態學理論上加大研究投入。水庫生態學是一門發展中的交叉學科,水庫的水質變化、生態系統結構演替過程、功能變化及其驅動涉及到氣候、氣象、水文、水動力、水生態、地球化學、流域地理學、漁業科學、微生物學等多個學科,水質與生態系統變化機制復雜,生態調控的響應周期長,水庫生態學理論的不足影響到了水源水庫的水質安全保障。其中,急迫解決的理論問題包括但不限于如下幾條:(1)水庫水體的異味發生機制,哪些藻類、在何種條件下產異味?細菌是如何參與到水體異味的形成的?(2)藍藻水華發生的機制與閾值,光照、溫度、營養鹽、水動力及食物鏈等多要素如何調控藍藻生物量的?不同屬、種的藍藻形成水華的條件差異是什么?(3)水庫食物鏈結構與水質的關系,在營養鹽相對缺乏、水文條件變化較大的動態體系中,如何維持與水質目標相一致的食物鏈結構?

在水源水庫的水質保護技術方面,目前雖然存在監測預警、污染源削減、食物鏈調控、應急處置等多種技術,但仍缺乏精準、高效的水質風險防控技術。從技術發展方向上看,更為精準的監測預警技術、更為安全的應急處置技術、更為科學的食物鏈調控技術、更為高效的外源攔截凈化技術,以及更為綠色共贏的流域保護管理技術等都是今后發展的熱點。

致謝:本文在全國水源水庫問題調研、分析及數據整理中得到了許多學者支持,包括中國科學院水生生物研究所陳雋、沈宏、鄧緒偉、李林、畢永紅、葉麟,中國科學院生態環境研究中心蘇命,中國科學院地球化學研究所陳敬安、王敬富,中國科學院城市環境研究所楊軍、陳輝煌,中國科學院武漢植物園譚香,中國科學院亞熱帶農業生態研究所謝永宏、李有志,中國科學院東北地理與農業生態研究所郭躍東、譚穩穩,暨南大學韓博平、肖利娟,水利部中國科學院水工程生態研究所趙先富,中國水利水電科學研究院王雨春、胡明明,中國環境科學研究院王坤,中國科學院南京地理與湖泊研究所施坤、李未等,在此一并表示感謝。